光电系统常用光源
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d e B d l 0 0 L dt
变化的电场产生磁场
一切能产生光辐射的辐射源都称为光源
电磁波谱
天然光源 人造光源
太阳、黑体辐射器 热辐射光源 按照发光机理， 白炽灯、卤钨灯 光源的分类： 汞灯 钠灯 需要了解 气体放电光源 金属卤化物灯 氙灯 各类光源 光源 的发光机 氘灯 理、重要 气体激光器 特性、适 用场合， 固体激光器 激光器 以便正确 染料激光器 选用光源。 半导体激光器 发光二极管
3
•可调谐的固体激光器
Ti
3
: Al2 O3
Cr : BeAl2O4
3
输出激光有宽的调谐范围（700-1000nm， 峰值波长800nm），应用广泛，并实现飞秒 脉冲。
可调谐范围700-800nm。采用调Q技术， 输出755nm脉冲激光，在激光医疗中很 重要。
•激光二极管（LD）泵浦的固体激光器
脉冲氙灯:
五、氘灯 泡壳内充有高纯度的氘气
灯的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长， 常用作连续紫外光源（185～400nm）。
1.4 激光器
20世纪激光的诞生标志着人类 对光子的掌握和利用进入了一个 崭新的阶段。
一、激光器概述
基激 本光 结器 构的
激 机光 理形 成 优激 越光 性的
•电泵浦或光泵浦； •造成工作物质中粒子数反转分布 ， 自发辐射引发受激辐射； •谐振腔对辐射光波选频放大。
LD泵浦增益光纤、一对光纤光栅构成谐振腔。 双包层光纤激光器已经实现了KW级大功率输 出。 光泵浦作用下增益光纤的光放大作用显著 ,信号光 输入增益光纤将得以放大。光纤放大器的出现,是 光纤通信发展史上的重要里程碑。
一、 光辐射的量子理论基础
1、三种跃迁
（1) 受激吸收
处于低能级态的原子在一定 条件下的辐射场作用下，吸 收一个光子， 跃迁到高能 级态。
1.2 热辐射光源
由于内部原子、分子的热运动而产 生辐射的光源 辐射光谱是连续光谱
一、理想的热辐射光源 α (λ ，T)=1 —绝对黑体
在热平衡条件下
Meb , T , T Leb , T
绝对黑体热辐射能力最强。
普朗克公式
M eb ( , T）
hc 维恩位移 m 定律 5kT
单位: W sr （瓦每球面度）
4.辐射出射度 M 与辐射亮度 Be , e
d e Me dS
W （瓦每平方米） 单位： 2 m
单位：
d 2e dI e ( , ) Be ( , ） dS cos d dS cos
W
2 sr m
（瓦每球面度平方米）
受激吸收概率：
1 dn12 W12 n1 dt st
W12 B12 (）
n1 为E 能级上的原子数密度, 1 B12
(） 为辐射场能量密度
为爱因斯坦吸收系数, 只与粒子本身的性质有关。
(2) 自发辐射
处于高能级态的原子 自发跃迁到低能级态， 并同时向外辐射出一 个光子（自发辐射只 h 21 E2 E1 光子能量： 与原子本身性质有关， dn 1 与辐射场的 无 (） 自发跃迁概率： A21 21 dt sp n2 关） 。
辐射光谱分布
二、实际的热辐射光源
1.太阳与黑体辐射器 非常接近于绝对黑体 黑体辐射器：
科学制作的小孔 空腔结构，可以 很好地实现绝对 黑体的辐射功能。 太阳的光谱分布
常用作标准光源， 最高工作温度是 3000K。
2.白炽灯与卤钨灯 灰体 钨丝做灯丝
白炽灯
玻璃泡壳;色温约2800K,辐射光谱约0.4～3μ m。 可见光占6～12%，用于照明； 加红外滤光片可作为近红外光源。 石英泡壳;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物 （如溴化硼）;形成卤钨循环。 色温3200K以上,辐射光谱为0.25～3.5μ m。 发光效率可达30lm/W(为白炽灯的2～3倍)， 作仪器白光源.
1.1 辐射度学与光度学的 基础知识
介绍描述光辐射的一套参量 一、辐射度的基本物理量
1.辐射能 Qe 单位为J（焦耳） 2.辐射通量 e 又称辐射功率 单位为W（瓦、焦耳每秒） 3.辐射强度 Ie ,描述点辐射源的辐 射功率在不同方向上的分布。
d e I e ( , ) d
三、金属卤化物灯 泡壳内充的是
通过金属 卤化物循环， 铊灯（碘化铊）：绿光，峰值535nm。 提供足够的 镝灯（碘化镝、碘化铊）：色温6000K。 金属原子 钠铊铟灯（碘化钠、碘化铊、碘化铟）： 气体。 近白色光源, 色温5500K。
金属卤化物气体。
四、氙灯 泡壳内充的是是惰性气体—氙。
色温6000K，亮度高，被称为“小太阳”，寿命长。 长弧氙灯: 大范围照明 光源 短弧氙灯: 日光色点光源 脉冲时间极短（nS～pS)，光很强,用于 光泵、光信号源、照相制版、高速摄影
斯蒂芬—玻尔兹曼定律
M eb T M eb , T d T 4
0
5 (e c
c1
2
T
1)
随着温度T的升高， 峰值波长 m 向短波方向移动， 总出射度 Meb T 迅速增加。 绝对黑体的温度决定了它的 灰体：α (λ ，T)＜1的热辐射光源， 色温；相关色温 具有与绝对黑体类似的辐射规律。
使激光器既可连续工作又可高效率脉冲工作。
3
Nd
输出波长1064nm，加倍频技术可输出 532nm。 已经实现了KW级大功率输出，广泛用于激 光加工、激光医疗、科学研究之中。
: YAG
Er : YAG
输出波长2.94μ m,用于激光医疗。
3
Ho : YAG
输出波长2.1μ m,用于激光医疗 ,空间光通信。
高亮度、高方向性、高单色性 和高度的时间空间相干性
已有数百种激光器，输出波长从近紫外直到 远红外，辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。
激光将对21世纪的科技腾飞和产业 革命产生深远的影响！
1.气体激光器
工作物质是气体或金属蒸汽，通过气体 放电实现粒子数反转。 工作物质（气体）均匀性好，输出光束 的质量相当高。
第一章 日常生活中的常用光源
1.1 辐射度学与光度学的基础知识 1.2 热辐射光源
1.3 气体放电光源
1.4 激光器 1.5 发光二极管(LED)
光子的基本特性
爱因斯坦根据光电效应实验并结合普朗克 能量子假说, 提出了光量子理论： 光是一种以光速运动的光子流, 以电磁波方 式传播的粒子。 光子和其它基本粒子一样,具有能量、动量 和质量。 它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波 动属性（频率、波矢、偏振等）之间的关系满 足：
4. 半导体激光器（ LD ）
与结平面垂直的晶体 解理面构成F-P谐振 腔。
对P-N结正向注入电流或光泵浦， 可激发激光。 主 体积小，重量轻，易调制，功耗低； 要 波长覆盖面广（0.33～44μ m）； 优 点 能量转换效率高，有大功率、高集成度器件。
二、代表性的固体激光器
•YAG激光器 基质晶体Y3Al 5O12热物理性能优良，
卤钨灯
基 泡壳：用玻璃或石英等材料制造； 本 电极：阴极、阳极或不区分（交流灯） 结 泡壳内充入发光用的气体：金属蒸汽、 构 金属化合物蒸汽、惰性气体
发光机理：气体放电。 气体放电光源的特点：
1.3 气体放电光源
1）发光效率高,节能。 2）电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。 3）寿命长，比白炽灯长2～10倍。 4）辐射光谱可以选择，只要选用适当 的发光材料。
例如，对于色温为 2856 K的标准钨丝灯其光视效能
为 17lm/W ，当标准钨丝灯发出的辐射通量为 Φ e ＝
100W时，其光通量为 Φv = 1710lm。
由此可见，色温越高的辐射体，它的可见光的 成分越多，光视效能越高，光度量也越高。白炽钨 丝灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的可见 光部分的光谱减弱，光视效能降低，用照度计检测 光照度时，照度将显著下降。
单位时间、单位体积内， E2上粒子的减少为：
dn2 dn 21 A21 n2 dt dt sp t 0 0 于是有： n2 n2 exp( A21t ) n2 exp( ) s
2.固体激光器
工作物质是掺杂的晶体 或光学玻璃，光泵浦。 有脉冲输出激光器和连 续输出激光器。 主要优点：能量大、峰值功率高、结构紧凑、 坚固可靠和使用方便。
3.染料激光器
工作物质是有机染料溶液，光泵浦。 输出激光波长可以在很宽范围内调谐， 有极好的光束质量。 有连续输出的激光器，也有脉冲输出的 激光器。 可产生超短光脉冲，峰值功率达几百 MW。 工作物质是半 导体材料形成 的P-N结。
h (1)、E h ； 2
E h (2)、m , c2 c2
(3)、P h
光子具有运动质量，但 静止质量为零；
ห้องสมุดไป่ตู้
电磁波谱与光辐射
qi E d S s 0
B d S 0
s
d m 变化的磁场产生电 E d l L dt 场
M e 的定义
Be , 的定义
5.辐射照度 Le d e Le dS 6.光谱辐射量
W （瓦每平方米） 单位： m2
辐射量的光谱密度，辐射量随波长的变化率。
d e e ( ) d
光谱辐射通量e ( )与波长的关系
e e ( ) d
0
其它辐射度量都有类似关系。
1cd
sr
683
W
sr
即：1W = 683 lm 此时，V(λ ）=1
555nm 时， V(λ）＜1 1W ＜683 lm
可见，辐射通量与光通量之间的换算关系：
1W = 683 V(λ ）lm /W
，定义：Km = 683 lm
有关系式： v ( ) KmV ( )e ( )
二、光度的基本物理量
1.光谱光视效率V(λ ): 人眼对各种光波长的 相对灵敏度
详见表1.1
2.光度量 光度量与辐射度量是一一对应的。
辐射度量是客观物理量， 光度量体现了人的视觉特性。
1）光能 Qv 单位：lm· s（流明· 秒） 2）光通量 单位：lm （流明） v d v cd（坎德拉） 3）发光强度 I v I 单位： v d 发光强度 I v 是光度量中最基本的单位。在明视觉时，规定： 时， 555 nm 1lm 1
一、汞灯
泡壳内充汞蒸汽
1.低压汞灯： 作253.7nm紫外光源； 作荧光灯（…日光灯）。
2.高压汞灯： 可见辐射加强，呈带状 光谱，可作高效照明光源。
3.球形超高压汞灯： 很好的蓝绿光点光源。
二、钠灯 泡壳内充的是氖氩混合气体
与金属钠滴。 低压钠灯：发出波长589nm、589.6nm 两条谱线的单色光源。 高压钠灯：接近白光，亮度高，用于照明光源。
LD泵浦:实现高效率的能量转换
用LD列阵泵浦固体激光 器实现了高功率激光输出。
•非线性频率转换得到短波长固体激光器
固体激光器的波长在红外波段。用非线性材料进 行波长转换,得到绿光、蓝光、紫外固体激光器.
研 LD泵浦固体激光器与准相位匹配频率转换结 究 合，以期制造出结构简单小巧、价格便宜的 趋 可调谐激光器。 势 •光纤激光器和光纤放大器
d v 单位：lx（勒克斯） Lv dS 1lx = 1lm/m2
X V K m V ( ) X e ( ) d
0
三、光源的辐射效率与发光效率
e 辐射效率 e P
2
1
e ( ) d
P
单位： lm/W
v K m 0 e ( )V ( )d 发光效率 v P P
v Km V ( )e ( )d
0
4）光出射度 M v 与光亮度
dv Mv dS
2
Bv
单位：lm /m2 单位： cd/m2
d v dI v Bv dS cos d dS cos
实用单位：sb(熙提) 1sb = 104cd/m2
5)光照度 Lv 普适关系式：
变化的电场产生磁场
一切能产生光辐射的辐射源都称为光源
电磁波谱
天然光源 人造光源
太阳、黑体辐射器 热辐射光源 按照发光机理， 白炽灯、卤钨灯 光源的分类： 汞灯 钠灯 需要了解 气体放电光源 金属卤化物灯 氙灯 各类光源 光源 的发光机 氘灯 理、重要 气体激光器 特性、适 用场合， 固体激光器 激光器 以便正确 染料激光器 选用光源。 半导体激光器 发光二极管
3
•可调谐的固体激光器
Ti
3
: Al2 O3
Cr : BeAl2O4
3
输出激光有宽的调谐范围（700-1000nm， 峰值波长800nm），应用广泛，并实现飞秒 脉冲。
可调谐范围700-800nm。采用调Q技术， 输出755nm脉冲激光，在激光医疗中很 重要。
•激光二极管（LD）泵浦的固体激光器
脉冲氙灯:
五、氘灯 泡壳内充有高纯度的氘气
灯的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长， 常用作连续紫外光源（185～400nm）。
1.4 激光器
20世纪激光的诞生标志着人类 对光子的掌握和利用进入了一个 崭新的阶段。
一、激光器概述
基激 本光 结器 构的
激 机光 理形 成 优激 越光 性的
•电泵浦或光泵浦； •造成工作物质中粒子数反转分布 ， 自发辐射引发受激辐射； •谐振腔对辐射光波选频放大。
LD泵浦增益光纤、一对光纤光栅构成谐振腔。 双包层光纤激光器已经实现了KW级大功率输 出。 光泵浦作用下增益光纤的光放大作用显著 ,信号光 输入增益光纤将得以放大。光纤放大器的出现,是 光纤通信发展史上的重要里程碑。
一、 光辐射的量子理论基础
1、三种跃迁
（1) 受激吸收
处于低能级态的原子在一定 条件下的辐射场作用下，吸 收一个光子， 跃迁到高能 级态。
1.2 热辐射光源
由于内部原子、分子的热运动而产 生辐射的光源 辐射光谱是连续光谱
一、理想的热辐射光源 α (λ ，T)=1 —绝对黑体
在热平衡条件下
Meb , T , T Leb , T
绝对黑体热辐射能力最强。
普朗克公式
M eb ( , T）
hc 维恩位移 m 定律 5kT
单位: W sr （瓦每球面度）
4.辐射出射度 M 与辐射亮度 Be , e
d e Me dS
W （瓦每平方米） 单位： 2 m
单位：
d 2e dI e ( , ) Be ( , ） dS cos d dS cos
W
2 sr m
（瓦每球面度平方米）
受激吸收概率：
1 dn12 W12 n1 dt st
W12 B12 (）
n1 为E 能级上的原子数密度, 1 B12
(） 为辐射场能量密度
为爱因斯坦吸收系数, 只与粒子本身的性质有关。
(2) 自发辐射
处于高能级态的原子 自发跃迁到低能级态， 并同时向外辐射出一 个光子（自发辐射只 h 21 E2 E1 光子能量： 与原子本身性质有关， dn 1 与辐射场的 无 (） 自发跃迁概率： A21 21 dt sp n2 关） 。
辐射光谱分布
二、实际的热辐射光源
1.太阳与黑体辐射器 非常接近于绝对黑体 黑体辐射器：
科学制作的小孔 空腔结构，可以 很好地实现绝对 黑体的辐射功能。 太阳的光谱分布
常用作标准光源， 最高工作温度是 3000K。
2.白炽灯与卤钨灯 灰体 钨丝做灯丝
白炽灯
玻璃泡壳;色温约2800K,辐射光谱约0.4～3μ m。 可见光占6～12%，用于照明； 加红外滤光片可作为近红外光源。 石英泡壳;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物 （如溴化硼）;形成卤钨循环。 色温3200K以上,辐射光谱为0.25～3.5μ m。 发光效率可达30lm/W(为白炽灯的2～3倍)， 作仪器白光源.
1.1 辐射度学与光度学的 基础知识
介绍描述光辐射的一套参量 一、辐射度的基本物理量
1.辐射能 Qe 单位为J（焦耳） 2.辐射通量 e 又称辐射功率 单位为W（瓦、焦耳每秒） 3.辐射强度 Ie ,描述点辐射源的辐 射功率在不同方向上的分布。
d e I e ( , ) d
三、金属卤化物灯 泡壳内充的是
通过金属 卤化物循环， 铊灯（碘化铊）：绿光，峰值535nm。 提供足够的 镝灯（碘化镝、碘化铊）：色温6000K。 金属原子 钠铊铟灯（碘化钠、碘化铊、碘化铟）： 气体。 近白色光源, 色温5500K。
金属卤化物气体。
四、氙灯 泡壳内充的是是惰性气体—氙。
色温6000K，亮度高，被称为“小太阳”，寿命长。 长弧氙灯: 大范围照明 光源 短弧氙灯: 日光色点光源 脉冲时间极短（nS～pS)，光很强,用于 光泵、光信号源、照相制版、高速摄影
斯蒂芬—玻尔兹曼定律
M eb T M eb , T d T 4
0
5 (e c
c1
2
T
1)
随着温度T的升高， 峰值波长 m 向短波方向移动， 总出射度 Meb T 迅速增加。 绝对黑体的温度决定了它的 灰体：α (λ ，T)＜1的热辐射光源， 色温；相关色温 具有与绝对黑体类似的辐射规律。
使激光器既可连续工作又可高效率脉冲工作。
3
Nd
输出波长1064nm，加倍频技术可输出 532nm。 已经实现了KW级大功率输出，广泛用于激 光加工、激光医疗、科学研究之中。
: YAG
Er : YAG
输出波长2.94μ m,用于激光医疗。
3
Ho : YAG
输出波长2.1μ m,用于激光医疗 ,空间光通信。
高亮度、高方向性、高单色性 和高度的时间空间相干性
已有数百种激光器，输出波长从近紫外直到 远红外，辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。
激光将对21世纪的科技腾飞和产业 革命产生深远的影响！
1.气体激光器
工作物质是气体或金属蒸汽，通过气体 放电实现粒子数反转。 工作物质（气体）均匀性好，输出光束 的质量相当高。
第一章 日常生活中的常用光源
1.1 辐射度学与光度学的基础知识 1.2 热辐射光源
1.3 气体放电光源
1.4 激光器 1.5 发光二极管(LED)
光子的基本特性
爱因斯坦根据光电效应实验并结合普朗克 能量子假说, 提出了光量子理论： 光是一种以光速运动的光子流, 以电磁波方 式传播的粒子。 光子和其它基本粒子一样,具有能量、动量 和质量。 它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波 动属性（频率、波矢、偏振等）之间的关系满 足：
4. 半导体激光器（ LD ）
与结平面垂直的晶体 解理面构成F-P谐振 腔。
对P-N结正向注入电流或光泵浦， 可激发激光。 主 体积小，重量轻，易调制，功耗低； 要 波长覆盖面广（0.33～44μ m）； 优 点 能量转换效率高，有大功率、高集成度器件。
二、代表性的固体激光器
•YAG激光器 基质晶体Y3Al 5O12热物理性能优良，
卤钨灯
基 泡壳：用玻璃或石英等材料制造； 本 电极：阴极、阳极或不区分（交流灯） 结 泡壳内充入发光用的气体：金属蒸汽、 构 金属化合物蒸汽、惰性气体
发光机理：气体放电。 气体放电光源的特点：
1.3 气体放电光源
1）发光效率高,节能。 2）电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。 3）寿命长，比白炽灯长2～10倍。 4）辐射光谱可以选择，只要选用适当 的发光材料。
例如，对于色温为 2856 K的标准钨丝灯其光视效能
为 17lm/W ，当标准钨丝灯发出的辐射通量为 Φ e ＝
100W时，其光通量为 Φv = 1710lm。
由此可见，色温越高的辐射体，它的可见光的 成分越多，光视效能越高，光度量也越高。白炽钨 丝灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的可见 光部分的光谱减弱，光视效能降低，用照度计检测 光照度时，照度将显著下降。
单位时间、单位体积内， E2上粒子的减少为：
dn2 dn 21 A21 n2 dt dt sp t 0 0 于是有： n2 n2 exp( A21t ) n2 exp( ) s
2.固体激光器
工作物质是掺杂的晶体 或光学玻璃，光泵浦。 有脉冲输出激光器和连 续输出激光器。 主要优点：能量大、峰值功率高、结构紧凑、 坚固可靠和使用方便。
3.染料激光器
工作物质是有机染料溶液，光泵浦。 输出激光波长可以在很宽范围内调谐， 有极好的光束质量。 有连续输出的激光器，也有脉冲输出的 激光器。 可产生超短光脉冲，峰值功率达几百 MW。 工作物质是半 导体材料形成 的P-N结。
h (1)、E h ； 2
E h (2)、m , c2 c2
(3)、P h
光子具有运动质量，但 静止质量为零；
ห้องสมุดไป่ตู้
电磁波谱与光辐射
qi E d S s 0
B d S 0
s
d m 变化的磁场产生电 E d l L dt 场
M e 的定义
Be , 的定义
5.辐射照度 Le d e Le dS 6.光谱辐射量
W （瓦每平方米） 单位： m2
辐射量的光谱密度，辐射量随波长的变化率。
d e e ( ) d
光谱辐射通量e ( )与波长的关系
e e ( ) d
0
其它辐射度量都有类似关系。
1cd
sr
683
W
sr
即：1W = 683 lm 此时，V(λ ）=1
555nm 时， V(λ）＜1 1W ＜683 lm
可见，辐射通量与光通量之间的换算关系：
1W = 683 V(λ ）lm /W
，定义：Km = 683 lm
有关系式： v ( ) KmV ( )e ( )
二、光度的基本物理量
1.光谱光视效率V(λ ): 人眼对各种光波长的 相对灵敏度
详见表1.1
2.光度量 光度量与辐射度量是一一对应的。
辐射度量是客观物理量， 光度量体现了人的视觉特性。
1）光能 Qv 单位：lm· s（流明· 秒） 2）光通量 单位：lm （流明） v d v cd（坎德拉） 3）发光强度 I v I 单位： v d 发光强度 I v 是光度量中最基本的单位。在明视觉时，规定： 时， 555 nm 1lm 1
一、汞灯
泡壳内充汞蒸汽
1.低压汞灯： 作253.7nm紫外光源； 作荧光灯（…日光灯）。
2.高压汞灯： 可见辐射加强，呈带状 光谱，可作高效照明光源。
3.球形超高压汞灯： 很好的蓝绿光点光源。
二、钠灯 泡壳内充的是氖氩混合气体
与金属钠滴。 低压钠灯：发出波长589nm、589.6nm 两条谱线的单色光源。 高压钠灯：接近白光，亮度高，用于照明光源。
LD泵浦:实现高效率的能量转换
用LD列阵泵浦固体激光 器实现了高功率激光输出。
•非线性频率转换得到短波长固体激光器
固体激光器的波长在红外波段。用非线性材料进 行波长转换,得到绿光、蓝光、紫外固体激光器.
研 LD泵浦固体激光器与准相位匹配频率转换结 究 合，以期制造出结构简单小巧、价格便宜的 趋 可调谐激光器。 势 •光纤激光器和光纤放大器
d v 单位：lx（勒克斯） Lv dS 1lx = 1lm/m2
X V K m V ( ) X e ( ) d
0
三、光源的辐射效率与发光效率
e 辐射效率 e P
2
1
e ( ) d
P
单位： lm/W
v K m 0 e ( )V ( )d 发光效率 v P P
v Km V ( )e ( )d
0
4）光出射度 M v 与光亮度
dv Mv dS
2
Bv
单位：lm /m2 单位： cd/m2
d v dI v Bv dS cos d dS cos
实用单位：sb(熙提) 1sb = 104cd/m2
5)光照度 Lv 普适关系式：